面向中長跑體能測試的RFID設計與實現

李慶功

摘 要： 將RFID無線射頻技術應用于中長跑的體能測試計時，以我國標準400 m跑道為例設計RFID自動計時系統的無線閱讀器布局，使用頻率為2.4 GHz的閱讀器對電子標簽進行識別。針對基于RFID的中長跑自動計時系統的無線閱讀器和電子標簽進行硬件設計，并使用幀時隙ALOHA算法實現多個運動員同時進入閱讀器識別范圍內的防碰撞處理。使用定位算法對閱讀器識別范圍內的運動員進行定位，確定運動員成績。最后通過實驗方法驗證基于RFID的中長跑自動計時系統。

關鍵詞： RFID； 體能測試； 自動計時； CC2530

Abstract： The RFID technology is applied to the physical fitness test timekeeping of the middle?and long?distance race. The wireless reader layout of the RFID?based automatic timekeeping system was designed by taking the standard 400 m track as an example. The reader of 2.4 GHz is used to identify the electronic tag. The hardware design was performed for wireless reader and electronic tag of the RFID?based middle?and long?distance race automatic timekeeping system. The frame time?slot ALOHA algorithm is used to conduct the anti?collision processing when several athletes go into the reader′s recognition range at the same time. The positioning algorithm is used to locate the athletes within the reader′s recognition range， and determine the performance of the athletes. The RFID?based middle and long distance race automatic timekeeping system was verified with the experimental method.

Keywords： RFID； physical fitness test； automatic timekeeping； CC2530

0 引 言

我國現代教育一直將培養學生的德智體作為教育的主要目標。通過相關調查數據可以看出我國學生體質狀況越來越差，學生的肥胖比例逐年增加。另外，在很多農村學校肥胖學生的比例也是居高不下。一些例如糖尿病、冠心病、高血脂以及高血壓等在老年人身上經常出現的肥胖疾病開始在青少年身上出現，而且患病率逐漸提升，因此我國陸續制定了相關的措施來避免學生過度肥胖，以達到維護我國學生體質健康的目的[1]。

在對學生個人身體素質進行衡量的過程中，中長跑測試是主要的衡量指標。攝像法、光學法以及人工手動計時法是目前國內運動計時采用的主要方法。實際上人工手動計時存在一定的缺陷，首先運動成績需要由專門的人員進行記錄，而且可以認為改寫記錄的成績，如果兩個運動員同時到達終點就會有較強的人為操作性，無法產生較高的精度。由于其具有較高的精度，光學方法得到了廣泛的應用，但是在個體識別方面不能發揮較好的效果[2?3]。

作為一種非接觸自動識別技術，RFID技術得到了廣泛的應用，其能夠在較為復雜的環境中進行應用，具有較快的識別速度，通過和定位技術的相互結合能夠在局部區域內對目標進行定位[4]。

本文使用RFID技術實現中長跑體能測試的自動計時系統，避免人工手動計時的誤差，降低人工勞動的強度。

1 系統總體結構

本文以目前中國中小學以及高校普遍使用的標準400 m跑道為例，設計基于RFID的1 000 m體能測試自動計時系統。400 m跑道中直道總長度為2×85.96 m，彎道總長度為2×114.04 m，彎道半徑為[5]36 m。根據跑道長度和面積設計RFID自動計時系統的無線閱讀器布局，如圖1所示。

由圖1可以看出，由于跑道長度和面積不算大，并且基于RFID的自動計時關注的重點是在跑道終點處標簽（運動員）的識別和計時，因此使用頻率為2.4 GHz的閱讀器即可實現對電子標簽的識別，2.4 GHz的閱讀器能夠對百米范圍內的標簽進行識別，標簽為有源標簽，標簽壽命可達6年以上，具有較高的穩定性和可靠性[6]。

本文研究的基于RFID的中長跑自動計時系統的工作原理是：首先利用天線閱讀器將射頻信號向外發射，進而對工作范圍內的標簽進行激活，天線大小、發射功率以及射頻信號頻率決定了閱讀器的工作范圍；其次如果標簽沒有超過閱讀器的工作范圍就可以激活射頻信號，在產生感應電流的過程中標簽就可以獲得能量，然后閱讀器就能夠獲得相關的ID信息。最后在接收到標簽發出的數據信息以后，閱讀器就可以經過解調和解碼獲得相關數據，通過I/O接口將數據傳輸到監控主機上[7]。

2 RFID計時硬件系統

基于RFID的中長跑自動計時系統硬件部分主要包括無線閱讀器和電子標簽。電子標簽由電池供電，以腕表的形式系掛在運動員手腕上。無線閱讀器在跑道終點線上以一定規則布置。系統總體框圖如圖2所示。

作為射頻識別系統的基本組成部分，電子標簽能夠對需要被識別的物體進行標識，主要由電源模塊、天線、射頻收發模塊、存儲模塊以及主控模塊組成。其中標識是通過ID號實現的，生產日期以及產地等一系列信息能夠通過ID號體現出來，閱讀器能夠讀取存儲在存儲單元中的這些信息，同時無法修改這些信息。

閱讀器主要包含天線、電源模塊、I/O 接口模塊、射頻收發模塊以及主控模塊。利用天線發動射頻信號閱讀器就能夠將范圍內的標簽激活，標簽返回信號再被天線接收的過程中就能夠實現與標簽之間的通信，這樣就可以對表現的信息進行獲取。工作在不同頻段的閱讀器具有不同的通信距離。

本文使用的電子標簽工作頻率為2.4 GHz，標簽的電源由紐扣式電池提供，電子標簽的射頻前端主要使用Nordic的nRF24L01，微處理器使用TI的CC2530，供電輸入電壓為+3 V，通過SPI口配置nRF24L01的寄存器以及控制nRF24L01。電子標簽中CC2530主控芯片和射頻芯片nRF24L01的引腳連接如圖3所示[8]。

無線閱讀器主要由主控模塊、無線射頻收發模塊、天線以及RS 232通信模塊和電源模塊等組成。

（1） 主控模塊實現與應用軟件的通信，同時對應用系統發送的指令進行執行，對無線射頻電子標簽的通信過程進行控制，編碼和解碼信號。對防碰撞算法進行執行。解密和加密標簽與讀卡器交換數據，驗證標簽和讀卡器之間的身份。

（2） 無線射頻收發模塊利用產生的高頻發射能量對電子標簽進行激活。調制發射信號，將數據傳輸到電子標簽，接收并解調來自電子標簽的射頻信號。

（3） 天線用于對電子標簽和閱讀器之間的射頻信號進行傳送。

（4） RS 232通信模塊連接上位機和閱讀器，對電子標簽采集的信息進行傳輸。

（5） 電源模塊使用1117?3.3芯片將5 V電源轉換為3.3 V電源供給射頻模塊。

（6） 通信模塊主要使用CP2102芯片實現無線閱讀器與上位機的通信，上傳運動員的跑步成績。

3 RFID計時軟件系統

3.1 防碰撞算法

當一個閱讀器同時被幾個標簽要求信息傳輸時，數據之間就會產生干擾，使得無法正確的識別標簽。這樣閱讀器只能采用多路存取方式對不同標簽的信息進行讀取。其中空分多址、碼分多址、頻分多址以及時分多址是多路存取防碰撞的主要方式。

時分多址中信息的傳輸是通過不同的時隙實現的，能夠按照時間劃分整個信道，這樣同一個信道就不會被多個標簽占用。該方法在RFID系統中應用能夠達到很好的防碰撞效果。

作為一種概率類型算法，ALOHA算法能夠采用競爭的方式進行信道的訪問。幀時隙ALOHA算法改進了時隙ALOHA算法，將一個幀分為個時隙，這樣標簽只能根據從個時隙中選擇的時隙進行信息的發送。當時，算法示意圖如圖5所示[9]。

幀的時隙數在該算法中是固定不變的，大小為同時時隙的長度應當和標簽完成信息傳輸所需要的時間一致。當時隙只有一個標簽時就可以成功讀取標簽信息；當時空時隙向下一個時隙跳轉，產生碰撞時，需要等到這個幀結束后，再對相關的時隙進行搜尋，進而完成信息的發送[10]。

3.2 電子標簽定位算法

本文使用到達時間定位算法計算運動員到達終點的時間。在計算點與點之間的距離時主要通過兩點之間數據信號傳輸所耗費的時間進行計算。根據公式對于超聲波以及電磁波等測量信號，在獲悉其波速以后就可以通過對兩者之間信號傳播時間的測定得到兩者之間的相對距離[11]。

設為需要定位的電子標簽，如果只存在一個測量參考點，那么就只能對點的相對位置進行測量，該點在以為半徑，為圓心的圓周上。如果存在兩個參考點，那么兩個點為圓心所對應的圓會產生兩個交點，因此兩個交點中的一點為的位置，但是對于具體的點無法確定。如果存在三個參考點和可以得到三個點（A，B，C）的相對距離，然后通過解析幾何就可以對點的位置進行計算。因此只要三個參考點不處在同一條直線上就能夠準確地對點進行定位。定位算法原理如圖6所示[12]。

4 RFID計時系統實驗

通過實驗方法驗證本文研究的基于RFID的中長跑自動計時系統。使用人工計時的方式與本文研究系統進行對比分析。利用100名運動員進行1 000 m測試，起點和終點如圖1所示。運動員需要經過三次終點線才能完成1 000 m的測試，分別使用人工計時的方式與本文研究的自動計時系統的部分記錄成績如表1，表2所示。

使用光學測量方法對運動員的1 000 m測試成績進行記錄，認為該成績為真實成績。由于光學測量方法的硬件系統和成績處理復雜，因此僅在實驗中應用。使用人工計時的方式與本文研究系統與運動員的真實成績進行對比，對比曲線如圖7所示。

可以看出，本文研究的自動計時系統記錄的成績穩定性好，誤差能夠控制在一定范圍內，并且誤差比人工計時方式更小，使用人工計時方式的誤差波動較大，主要受到裁判人員的判斷誤差和注意力不集中的影響。

5 結 論

本文對使用RFID技術的中長跑體能測試的自動計時系統硬件和軟件系統進行設計，避免人工手動計時的誤差，降低人工勞動的強度。通過實驗驗證本文研究的基于RFID的中長跑自動計時系統，結果表明，本文研究的自動計時系統記錄的成績穩定性好，誤差能夠控制在一定范圍內，并且誤差比人工計時的方式更小，使用人工計時方式的誤差波動較大，主要受到裁判人員的判斷誤差和注意力不集中的影響。

參考文獻

[1] 陳茜茜.人體運動姿態測量系統設計與應用[D].南京：南京理工大學，2010.

[2] 郭志虎.基于微慣性全姿態測量的人體運動捕捉系統研究[D].上海：上海交通大學，2013.

[3] 楊曉紅.RFID在中長跑體能測試上的應用[D].沈陽：沈陽工業大學，2007.

[4] 王秀平，郝耀軍.運用RFID技術研發中長跑計圈計時系統的研究[J].忻州師范學院學報，2015（2）：74?76.

[5] 曹世華.主動式RFID閱讀器與車輛識別系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2007.

[6] 代巍，馬秀麗.RFID技術在藝術品監控管理系統中的應用[J].沈陽理工大學學報，2015（3）：16?20.

[7] 張晶.基于RFID的快速車輛識別系統的設計與實現[D].西安：西安科技大學，2012.

[8] 王玉博.基于RFID高校運動會信息管理系統[D].成都：西南石油大學，2012.

[9] 王亞東.基于RFID技術的物流安全監控系統[J].科技信息，2010（11）：454?455.

[10] 李嘉斯.智能卡技術研究及其在物品監控管理系統中的應用[D].沈陽：東北大學，2009.

[11] 楊靜.基于RFID技術的古建筑監控管理系統設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2015.

[12] 劉云卿.基于RFID的車輛識別系統的設計與實現[D].長春：吉林大學，2009.

[13] 王文舉，邢業偉，張靖男，等.基于RFID的中長跑計時計圈系統的研發[J].電腦編程技巧與維護，2012（22）：8?9.

[14] 代巍.基于RFID技術的藝術品監控系統研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2015.